面向21世纪的先进制造系统与技术第一讲

2020/5/30,1,目录,1.制造业与制造技术的重大意义2.以微见著精密化是机械制造发展的核心3.以综见著自动化是机械制造发展的途径4.以网见著信息化是机械制造发展的急需5.以智见著智能化是机械制造发展的方向6.制造业与制造技术的创新7.从制造大国走向制造强国,2020/5/30,2,制造业与制造技术的重大意义,2020/5/30,3,制造业创造了人类,1）人从猿进化而来,人猿分离,是由于人学会双足行走和用手制造并使用工具。2）中国的元谋人（170万年前的南方古猿）、非洲人早在160万年前即开始用火，石料开采和加工，形成了原始制造业。饮食改善促进了脑的发展。200万年前的猿人脑容量约为700毫升，100万年前的直立人脑容量约为1000毫升，50万年前增加到1200毫升，1929年发现的57万年前的北京（直立）猿人为1050毫升，而现代人的脑容量平均为1450毫升，现代人的大脑皮层褶皱面积为1700-2200平方厘米，是黑猩猩的3倍。3）恩格斯指出：“直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。”,2020/5/30,4,制造业不是夕阳工业(1)1.美国的教训1)上个世纪70年代,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年代的经济衰退。2)80年代后期，美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出面，协调和支持制造产业的发展，1991年，布什政府期间，美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变。3)克林顿上台后，对制造业大力支持，他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。,2020/5/30,5,制造业不是夕阳工业(2),2.日本的经验1）在上个世纪70-80年代，日本非常重视制造业特别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，特别是大举进入了美国市场。2）日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。1991年海湾战争结束后，日本人说美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。,2020/5/30,6,制造业不是夕阳工业(3),3.东南亚经济危机的启示1）1998年爆发的动南亚经济危机，从另一个侧面反映了一个国家发展制造业的重要。一个国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机。2）新加坡、台湾都有自己的制造业，因此受经济危机的影响小一些。,2020/5/30,7,制造业不是夕阳工业(4),4.瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？1）瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制造业十分发达，瑞士的精密机械产品的出口量是我国的8倍，瑞士的手表世界第一，连小小的军刀，也风靡全世界。2）现在瑞士的年人均国民生产总值达到4.3万美元以上,居世界第一。,2020/5/30,8,制造业是产业革命的主力军（1）,第一次产业革命：1733-18781）又称为：蒸汽革命。2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明4）制造业和瓦特的发明推动了热力学理论的诞生。,2020/5/30,9,制造业是产业革命的主力军（2）,第二次产业革命：1879-19451）又称为：电气革命。2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、电机（西门子）等电气化产品。3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。4）麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙微波探测等技术的发展。5）牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指引了道路，导致了量子场论的创立。,2020/5/30,10,制造业是产业革命的主力军（3）,第三次产业革命：1945-19721）又称为：电子（原子）革命。2）产业革命的标志：原子弹（1945）、电子计算机（1946）、晶体管（1948）、集成电路、微电子技术等。3）微电子制造技术开创了全新的信息时代。,2020/5/30,11,制造业是产业革命的主力军（4）,第四次产业革命：1973-1）又称为：高新技术产业革命。2）产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等等。3）微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注入、外延、溅射、化学沉积（CVD）、光刻、表面贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把高新技术产业革命推向顶峰。,2020/5/30,12,21世纪科学技术发展总趋势(1),一、中心科学技术的转移1.信息科学技术目前是发展高峰期，预计其中心科学技术的地位还可持续四十年。2.生命科学技术现在已开始注重其发展与应用，预计21世纪30年代开始逐步转变为中心科学技术。3.认知科学技术智能化趋势现已显露，预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心。,2020/5/30,13,21世纪科学技术发展总趋势(2),二、世界科技中心（地区或国家）的转移中国（公元3世纪公元13世纪)意大利（1540年1610年）英国（1660年1730年）法国（1770年1830年）德国（1810年1920年）美国（1920年）可能转向东方（日本、中国）,2020/5/30,14,21世纪改变人类的科学与技术,科学技术物质科学信息技术生命科学生物技术纳米技术能源技术,2020/5/30,15,以微见著,精密化是机械制造发展的核心,2020/5/30,16,以微见著精密化是机械制造发展的核心,1.20世纪的三个重大科学成就都是“以微见著”2.信息产业的基础是微电子芯片制造3.加工精度及其发展4.现代超精密机械对精度的要求5.细微与纳米加工技术可达的水平6.微机电系统（MEMS）的重大意义7.各国对MEMS研究的关注,2020/5/30,17,20世纪的三个重大科学成就都是“以微见著”(1),1.量子力学1900年，普朗克依据黑体辐射实验而提出量子假说，后与玻尔、薛定谔等人于1925年建立量子力学。解决了波粒二重性问题：在原子尺度下，粒子的能量与波动的频率成正比，动量与波长成反比。2.相对论1)狭义相对论：1905年，爱因斯坦在迈克尔逊测量光速的基础上，提出了狭义相对论，预示了原子能的巨大潜力：E=mc2E能量，m质量，c光速2)广义相对论：1915年提出广义相对论，揭示了时间、空间、物质和运动的普遍规律。,2020/5/30,18,20世纪的三个重大科学成就都是“以微见著”(2),3.DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构1)1953年沃森和克里克发现生物大分子是由DNA组成，其结构是双螺旋结构，遗传密码存在于DNA中（称为基因）。2)1973年美国的科恩和博耶演示了世界上第一例DNA分子重组，打开了理解生命奥秘的大门，1973年成为人类进入信息时代的标志。3)1997年英国成功地用体细胞克隆技术培养出羊“多莉”，第一次实现了生命的复制。,2020/5/30,19,现代超精密机械对精度的要求,2020/5/30,20,以综见著,自动化是机械工程发展的途径,2020/5/30,21,以综见著综合化是机械工程发展的途径,1.自动化是机械工程综合化的核心和目标2.机电一体化工程(MechatronicEngineering）是高技术装备的基础3.先进制造系统以综合（集成、整合）为手段4.特种加工技术与装备是典型的综合技术与装备,2020/5/30,22,制造中的自动化技术,1.CAD/CAM技术(包括CAT/CAE/-CAX)2.数字控制技术3.机电一体化技术(包括光、液、气)4.传感器与测试技术5.伺服驱动系统技术6.自动机技术(包括输送、存储、装卸及机器人)7.加工、装配和检验中的自动化技术8.制造系统技术9.管理信息化技术10.回收与维修中的自动化技术结论：制造自动化技术的基础是数字技术,2020/5/30,23,机电一体化工程是高技术装备的基础,1.微电子芯片制造2.光电子器件制造3.自动化设备制造4.仪器仪表、医疗、生物、环保等高技术设备5.新型机械设备,2020/5/30,24,特种加工技术与装备是典型的综合技术与装备,1.电火花加工2.电化学加工3.激光加工4.高能束加工5.其它特种加工(喷丸加工、喷射水加工、表面喷涂、电铸、光刻等)6.增材制造（包括快速成形）,2020/5/30,25,以网见著,信息化是机械工程发展的急需,2020/5/30,26,“网”就是网络化。制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路。制造业在市场竞争中，面临多方的压力：采购成本不断提高，产品更新速度加快，市场需求不断变化，全球化所带来的冲击日益加强等等。企业要避免这一系列问题，就必须在生产组织上实行某种深刻的变革，抛弃传统的“小而全”与“大而全”的“夕阳技术”，把力量集中在自己最有竞争力的核心业务上。科学技术特别是计算机技术、网络技术的发展，使这种变革的需要成为可能。制造技术的网络化会导致一种新的制造模式，即虚拟制造组织，这是由地理上异地分布的、组织上平等独立的多个企业，在谈判协商的基础上，建立密切合作关系，形成动态的“虚拟企业”或动态的“企业联盟”。此时，各企业致力于自己的核心业务，实现优势互补，实现资源优化动态组合与共享,2020/5/30,27,网络经济的特点,1.没有旧经济的衰退和通货膨胀的周期性；2.知识分子将成为新经济时代的主体，社会结构发生变化；3.企业发展将是知识资本重于物质资本；4.人才是知识资本的核心；5.企业的利润主要来自于科技创新；6.虚拟企业、敏捷制造、企业动态联盟、供应链等迅速发展，企业对市场的响应越来越快；7.经营具有全球性，电子商务成为经营的主要形式；8.商品质量越来越高、价格越来越低、服务越来越好；9.顾客参与设计与制造，商品个性化；10.人们生活方式变化，消费结构变化：由吃、穿为主转为住、用、休闲，非物质消费占总消费的50%以上。,2020/5/30,28,以智见著,智能化是机械工程发展的方向,2020/5/30,29,“智”即指“智能化”。“智能化”将使制造过程具有处理大量信息与不完整信息、错误信息的能力，具有强大的自诊断、自修复和自组织能力，主动协调与协同能力以及非逻辑处理能力。它将是数字化、自动化、集成化、网络化的有机交融与高度发展。但是，它决不意味完全取代人，而是“人”与“机”的高度协调与有机一体。所以，“智”是先进制造技术发展的“前景”。,2020/5/30,30,以智见著智能化是机械工程发展的方向,为什么说智能化是机械工程发展的方向?1.恩格斯指出，共产主义社会的特征是消灭“三大差别”。城乡差别、工农差别、体力劳动与脑力劳动的差别。其中，最本质、最核心、最困难的消灭体力劳动与脑力劳动的差别，所以智能化是实现未来理想社会的必要条件。2.“知识经济”的本质是“智力经济”,2020/5/30,31,以智见著智能化是机械工程发展的方向,为什么说智能化是机械工程发展的方向?3.本世纪中心学科发展的趋势：从信息科学到生命科学（21世纪中叶）再转向认知科学（21世纪70年代）。4.信息化、网络化的实质是智能化。5.国民经济各部门的智能化已露端倪,智能化成为各行各业发展的趋向，如：智能计算机、智能车辆、智能机器、智能仪表、智能控制、智能材料甚至智能大厦。,2020/5/30,32,什么是智能系统？,具有（或部分具有）人类智能或能模拟（部分模拟）人类智能的系统称为智能系统。智能系统可以分成下列几种类型：1.人本系统（1）人类本身的人体系统，特别是人脑系统；（2）人类以其智能直接参与活动的系统，如金融系统、保险系统、体育系统等经济系统和社会系统；2.人为系统（1）人与机器共同工作的人机系统；（2）模拟或部分模拟人类智能的机器系统，如智能计算机系统、智能机器人系统、智能制造系统、智能控制系统、智能语言理解系统、智能图象处理系统等。,2020/5/30,33,什么是智能制造系统？,从工程的角度来讨论这个问题具有下列特征之一（特别是特征（1）和（2）的制造系统，就应称为智能制造系统：（1）多信息感知与融合；（2）知识表达、获取、存储和处理（包括识别设计、计算、优化、推理与决策）；（3）联想记忆与智能控制；（4）自治性，即自相似、自学习、自适应、自组织、自维护；（5）智能的演绎（分解）与归纳（集成）；（6）容错。,2020/5/30,34,机械工业在智能化中如何发展?,1.要自主开发与创新智能化的产品作为机械企业未来发展的新产品2.机械企业的制造和管理要向智能化方向发展3.用智能化技术充实、改造和提升企业的信息化与网络化。4.关注和应用计算机科学和人工智能科学的最新成果。5.重视教育与培训，关键中的关键是人才。,2020/5/30,35,制造业与制造技术的创新,2020/5/30,36,制造技术创新的指导思想,创新的目的是实现全面建设小康社会的奋斗目标从制造大国走向制造强国科学技术是第一生产力人才资源是第一资源公民素质是第一素质,2020/5/30,37,当前最急需的机械制造创新领域,1.电子制造2.生物制造3.微纳制造4.装备制造5.绿色制造6.传统产品的创新制造7.提高生活质量的创新制造8.现代国防装备的创新制造,2020/5/30,38,从微电子制造到微电子产品,光刻机、研磨抛光机、粘贴机、键合机、塑封机、表面贴装机,先进电子制造,硬盘驱动器,微电子,磁头制造,磁头及组件,磁盘基片,磁盘及组件,单晶硅,芯片,PCB,微电子产品,硅片,2020/5/30,39,下一代电子制造的技术特点,1.高制造精度(纳米级)2.高加速度(15g)往复运动3.高定位精度(亚微米纳米级定位精度)4.高可靠性(如封装后芯片的千小时失效率小于1/109),2020/5/30,40,机械工程学科发展的新特点多学科深度交叉,机械工程科学,微光机电系统纳米机械学纳米加工测量,微操作系统机械仿生仿生制造,电子制造、e-制造、数字制造、虚拟制造、网络制造,纳米科技纳米材料微型机械纳米器件,生命科技人类基因组基因工程生物芯片,信息科技光子、量子、生物计算机；网络技术,2020/5/30,41,机械工程学科发展的新特点向微纳米机械学及应用方向发展,MEMS,纳米测量精度及溯源表面表层物理、表面表层化学、机械性能的测量,微纳米尺度加工与制造微量切削磨削微小零件制造微高能束加工,尺度效应机构学力学摩擦学强度寿命,2020/5/30,42,当前生物制造的前沿,人造器官人造骨(及骨关节)已应用于临床试验。人造软骨(如耳廓软骨)也已成功。现正开始研究人造肝、人造肾等器官。生物芯片1）医用生物芯片：在电子芯片上装有许多微型传感器，通过对微量血液或其它细胞的检测可检查人体各种疾病；2）作生物计算机用的生物芯片：这种芯片上的生物大分子，如人的视网膜分子，可作二值逻辑元件。仿生机械仿鸟飞行的扑翼机、各种仿生机器人（如机器蜜蜂、机器蜻蜓、机器昆虫、机器蛇、机器鱼等）将可能在未来的战争中使用。,2020/5/30,43,什么是微纳制造？,尺寸在10微米1毫米之间的机械称为微型机械；尺寸在10纳米10微米之间机械称为纳米机械或超微型机械；将微型和超微型机械与微型电子器件（或微型光电子器件）结合起来，便得到微机电系统（MicroElectro-MechanicalSystems,MEMS）,MEMS的尺寸可大到数十毫米;在微米级范围的加工称为细微加工，在纳米级范围的加工称为纳米加工，在数十纳米至0.1微米之间的加工（表面粗糙度Ra小于0.025微米,机床定位分辨率和重复性高于0.01微米）称为超精密加工,亦称亚微米级加工。,2020/5/30,44,微机电系统（MEMS）的重大意义,1.信息领域：高密度磁盘存储，芯片加工设备；2.航空航天领域：微型飞机（直升机）、微型卫星（重0.110Kg）、纳米卫星（重0.1Kg以下）；3.军用武器领域：精确制导、精确打击系统，微型惯性平台（重仅70Kg）（微传感器、微仪表、微光学设备）；4.生命科学领域：小生理器官处理，基因操作系统、蛋白质追踪系统微型心脏起搏器、微型助听器等；5.医疗领域：非侵入性治疗，显微手术、小器官检测等；6.微型机器人：单位模光导纤维引线操作。管道内操作、脑科手术、收集情报与窃听、清除脑血栓阻塞、发现并杀死癌细胞等的微型或超微型机器人。7.文化领域：音、像、电子书刊、电视会议、远程教学、电子游戏等的制作及操作的微型机械设备。,2020/5/30,45,微纳制造的前沿,微型传感器各种微型位移、速度、加速度、力、压力、温度等物理量的传感器。微型器件各种微型齿轮、凸轮、轴承等微型零件和微型泵、微型阀、微型陀螺等微型部件。微机电系统特别在信息、生物、能源、国防、航空航天等高科技领域和医疗、环保、家电等生活领域有广阔的应用前景。发展微机电系统有可能引发一场新的技术革命。,2020/5/30,46,美国对微纳制造技术的关注,美国总统布什于2003年12月3日签署了21世纪纳米技术研究和开发法，这是美国自太空竞赛以来最优先资助的科技项目。美国总统布什批准在未来4年内拨款37亿美元用于纳米技术研发，其中95%用于科学研发大约60%用于院校研究，35%用于政府实验室。美南卡罗来纳大学的纳米技术专家戴维贝鲁布说：“纳米技术如果美国不占据首位，日本或中国将取而代之。纳米技术需要培养，没有政府扶持，就不可能起飞。它的应用要等到10年、15年乃至25年之后，没有公司愿意在一项不能立刻提高利润率的技术上投资。”,2020/5/30,47,首先要振兴装备制造业,1.装备制造业是制造业的基础和核心,提高装备制造能力是提升整体制造能力的前提,装备制造能力构成了制造强国最核心的能力;2.我国的装备制造业是我国制造业发展的薄弱环节,尤其是大型成套装备制造能力薄弱;3.我国机械电子制造业在整个制造业中所占的比重偏低(发达国家占40%以上,我国占34%),制造业的结构调整,应以先进装备制造和机电一体化产品制造为突破口,加速推进机械电子制造业的发展。,2020/5/30,48,从制造大国走向制造强国,2020/5/30,49,绿色制造是可持续发展的前提,目前机械制造业存在的主要问题是：1)废旧或闲置设备回收和再利用率较低，如何改造和利用好这些旧设备是摆在我们面前的大课题；2)能源和原材料的浪费现象十分严重，比美国和日本等先进国家高出数十倍之多；3)环境保护意识在机械制造厂家头脑中还比较淡薄，尤其是一些中小企业对环境的污染还比较严重；绿色制造定义：绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。,2020/5/30,50,从制造大国走向制造强国(1),1.将振兴装备制造业置于重要的战略地位从本质上说,提高装备制造能力是提升整体制造能力的前提,装备制造能力构成了制造强国最核心的能力。2.以先进装备和机电一体化产品制造为突破口加速推进机械电子制造业的发展,为中国实现由“制造大国”向“制造强国”的跨越奠定可靠的基础。,2020/5/30,51,从制造大国走向制造强国(2),3.大力提高技术创新能力